CN204425886U - 门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，包括液冷服务器机柜，所述液冷服务器机柜包括机柜柜体和设置于机柜柜体内的多个液冷服务器，设有液冷装置对液冷服务器进行直接的液冷散热，还设有门式冷水换热装置进行辅助散热。本实用新型高密度制冷、换热效率高、能耗低、可解决局部热点、占地面积小、可靠性高、噪音小、寿命长。

Description

门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统

技术领域

本实用新型涉及服务器机柜散热系统，尤其涉及一种所述门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统。

背景技术

随着IDC互联网数据中心机房高密度机柜的不断增加，设备的集成度越来越高，处理能力也逐渐增高，但设备的功率消耗也随之增大，导致机柜内设备的发热量越多。据统计，目前国内大型IDC机房内机柜服务器发热量大，且基本为全年8760h运行，对于不采用新风的机房而言，全年均需供冷，导致空调系统能耗巨大，其空调能耗约占数据机房整体能耗的40%~50%。

传统数据机房送风方式有底板风道送风、冷热通道隔离送风和全房间制冷送风等方式, 该模式已不满足现代化机房高密度机柜的制冷需求，出现了局部过热、耗电量大、机房空调能耗过高、噪音大等问题。同时机房精密空调需反复加湿、除湿运转或配套专用除湿机进行机房空气湿度、露点控制，以确保设备内部不发生凝露,导致机房空调系统制冷效率降低、能耗增大。如果机房的散热问题解决不好，就会严重威胁机房设备的安全运行。因此如何在满足设备使用要求的情况下，有效降低机房内空调系统的能耗是空调行业和数据机房运营行业面临的一个重要问题。

从节能角度考虑，目前有直接采用将室外空气引入室内为机房降温的方案，其优点是制冷效率高、初投资低、能耗低，但缺点是引入室外冷空气后，使得室内空气洁净度、湿度难以保证，带来了安全隐患，后期运行维护量较大。另外也有采用气气蜂窝式换热器，将热管热空气与室外冷空气间接换热，从而降低机房内温度；其优点是在利用室外冷源时不引入室外的空气，不影响机房内的空气的洁净度和湿度，缺点是初投资相对较高，换热器结构比较复杂，容易堵塞，需要定期清洗，维护工作量大。

而且随着服务器技术的发展，大功率、高发热密度的服务器应用越来越多，而且是不可逆转的发展趋势，目前部分行业用户的单个机柜的最大运行功率已经达到10~15kW左右，但由于空气冷却方式散热效率的局限，使得大功率服务器的应用也难以突破15kW/机柜以上。

液冷散热是近年发展起来的最高效、最先进的散热方案，其原理是将液态换热介质直接通入具有液冷功能的服务器内部，把主要发热元件--芯片（CPU）产生的热量带走（占整个服务器发热量的70~80%），采用液冷散热方案，理论上甚至可以使得单位机柜功率突破50kW/以上。但目前这种散热方案仅存在于高校实验室和极少数企业内部小范围研究，而未能形成实用化推广应用，很重要的原因之一，是因为这种采用液冷散热的服务器，其机柜需要内置液冷水分配系统，这就需要对液冷服务器机柜进行专门的定制设计，而机柜生产厂家一般是标准化生产，现阶段也没有掌握液冷水分配系统设计的关键技术，无法为液冷服务器用户配套提供内置液冷水分配系统的机柜产品，特别是旧机房的升级改造，如果想改为液冷散热方案，要对全部服务器机柜都进行替换为内置液冷水分配系统的机柜，无论是改造工程量和成本都非常高昂，极大地局限了液冷散热技术的发展普及。另外，液冷散热系统只能带走70~80%的服务器发热量，但仍然有20~30%的热量需要辅助制冷装置承担，对于液冷服务器这种单机柜功率高达50kW以上的高密度应用，每个机柜需要辅助制冷装置处理10~15kW以上的热量（总功率的20~30%），如果辅助制冷装置仍然采用传统的风冷散热方式，极易出现机柜的局部热点问题，影响服务器的元件寿命，这也是高密度液冷服务器推广应用所不能忽视的问题。

申请号为201010261284.1专利名称为《服务器机柜及其液冷散热系统》的中国专利公开了一种服务器机柜，包括外壳、设于所述外壳内的服务器及液冷散热系统，所述外壳内设有靠近所述服务器的导热板，所述液冷散热系统包括设于所述外壳外的致冷器及将所述导热板与致冷器热连接的管路，所述服务器工作时产生的热量于所述外壳内形成热流，所述热流在导热板处冷却，所述管路延伸出所述外壳外，并分别与所述致冷器的相对两端相连通，以将所述导热板从服务器吸收的热量传递至致冷器处进行热交换。该专利虽然也是采用液冷散热，但服务器的热量是通过导热板间接吸收带出，其冷却效果不明显，导致服务器的热量不能高效地被液冷散热系统带走，故会有局部热点、寿命短等问题。

申请号为201210545675.5专利名称为《一种服务器机柜冷却系统》的中国专利公开了一种服务器机柜冷却系统，包括置于服务器机柜内部的液冷箱、服务器机柜内水冷散热器、柜内空气散热器、第一储液箱以及室外外冷系统，液冷箱包括集成在一个箱内的翅片式换热器、板式换热器及第一水泵，板式换热器热水侧、第一水泵、第一储液箱及服务器机柜内水冷散热器通过管道连接成第一循环回路，外冷系统、柜内空气散热器、翅片式换热器及板式换热器冷水侧通过管道连接成第二循环回路。该专利采用第二循环回路带走第一循环回路的热量，但第一循环回路的散热器是对整个服务器机柜内部空气进行导热，并无直接针对服务器发热体芯片进行导热，这导致该专利散热效率低、效果差，另外，第一循环回路设有第一水泵，第一水泵运行时发热较多，需要专门设置换热器来传递第一水泵运行积聚的热量，这无疑给系统造成负担，从而进一步地降低系统的散热效率。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有制冷效率高效果好，不会出现局部热点问题且无需对机柜进行改造的门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统。

本实用新型的上述目的通过如下技术方案予以实现：

一种门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，包括液冷服务器机柜，所述液冷服务器机柜包括机柜柜体和设置于机柜柜体内的多个液冷服务器，设有液冷装置对液冷服务器进行直接的液冷散热，还设有门式冷水换热装置进行辅助散热。本实用新型通过采用液冷散热技术进行主制冷，机柜级高温冷水散热技术进行辅助制冷，主辅配合制冷，一方面制冷效率高效果好，不会出现局部热点问题，另一方面，本实用新型提供的方案无需对机柜进行改造，这给液冷散热提供了普及使用的可能性。

所述液冷装置包括液冷散热器、分配器、集流器和一次换热介质，所述液冷散热器用于对服务器芯片进行散热，所述分配器通过多根进液连接支管与液冷散热器连接，液冷散热器再通过多根出液连接支管与所述集流器连接，所述一次换热介质通过分配器和进液连接支管进入液冷散热器，再通过出液连接支管流出液冷散热器并由集流器汇集。一次换热介质由分配器通过进液连接支管进入液冷散热器，再通过出液连接支管进入集流器形成循环将液冷服务器的热量带走。

进一步地，所述的液冷装置外置安装在机柜柜体上。采用固定式或活动式安装，优选固定式安装。

所述一次换热介质为自来水、纯净水、有机溶液、无机溶液或氟利昂。优选采用纯净水。所述进液连接支管和出液连接支管为硬态管或软态管。优选软态管。

所述液冷散热器设于服务器芯片附近，或直接与服务器芯片接触。

所述门式冷水换热装置包括冷水换热器、连接管路以及二次换热介质，所述冷水换热器设置在液冷服务器机柜或液冷装置上，并通过连接管路装载二次换热介质。具体地，所述冷水换热器安装在机柜柜体的前门侧或背门侧，优选安装在背门侧；可以采用全铝微通道换热器或铜管套铝翅片换热器，优选铜管套铝翅片换热器。此外，所述冷水换热器可以轴转打开，冷水换热器的进水连接管和出水连接管均采用软态管。

进一步地，所述门式冷水换热装置还包括风机，所述风机安装在冷水换热器的出风侧。所述风机可以采用离心式、轴流式、混流式，优选轴流式风机。

更进一步地，所述门式冷水换热装置还包括冷水机和水泵，所述冷水机和水泵设于机房外，并通过连接管路与冷水换热器连接。

所述冷水机通过水泵将二次换热介质送至冷水换热器，再由冷水换热器流回冷水机形成循环带走部分热量。所述二次换热介质为水或防冻溶液。

本系统运行时，液冷服务器中的液冷服务器芯片的发热量占据总发热量约80%，这部分热量由液冷散热器吸收，并通过流经液冷散热器的、温度约35~45℃的一次换热介质带走，使得液冷服务器芯片的内部温度保持在60~70℃的正常运行状态。每个液冷服务器内部的液冷散热器的一次换热介质的流量分配和汇集，均由液冷装置完成：温度约35~45℃的一次换热介质从供液总管道流入分配器后，通过进液连接支管进入液冷散热器，吸收液冷服务器芯片的热量后，变成40~50℃温度状态、通过出液连接支管进入集流器、流回集液总管道。

液冷服务器中的其他元件的发热量占据总发热量约20%，这部分热量通过服务器本身风机或门式冷水换热装置的风机产生的空气流带走，流经门式冷水换热装置的冷水换热器后，空气流的热量被15~20℃的二次换热介质吸收，使得空气流温度重新冷却到20~25℃左右，重新流入服务器带走服务器内部元件热量，如此循环。冷水换热器内部的12~15℃的二次换热介质吸收热量后温度升高至17~20℃，在水泵循环动力作用下流入冷水机重新冷却为12~15℃的低温工质后，流回冷水换热器，如此循环。

 与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

（1）实现服务器机柜和液冷水分配分配装置的分离设计，机柜无需非标定制，在标准机柜柜体上独立安装一个具有水分配系统的液冷装置即可使之具备为液冷服务器提供液冷换热介质的分配和汇集功能，有利于液冷散热技术的实用化推广；

（2）采用液冷散热技术进行主制冷，实现超高密度制冷和超高节能运行，只需提供35~45℃的换热工质（如纯净水）即可完成，无需压缩机制冷等任何机械制冷装置或系统；

（3）采用机柜级高温冷水散热技术进行辅助制冷，完全干工况运行、无冷凝水产生、避免除湿加湿的损耗，送风距离短、实现风机的高效运行，甚至可以无风机运行（通过服务器自身风机进行散热），并有效解决服务器机柜局部过热和存在热点的问题；

（4）整个系统设计简单，投资低，几乎不占据任何机房空间，提升机房占地利用率；

（5）系统在机房内部无需动力装置、运行无噪音、安全环保，实现数据机房高效节能、安全可靠运行的目的。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

其中，1、机柜柜体；2、液冷服务器；3、液冷服务器芯片；4、液冷散热器；5、集流器；6、分配器；7、进液连接支管；8、冷水换热器；9、风机；13、水泵；14、冷水机；15、一次换热介质；16、二次换热介质；17、出液连接支管；Ⅰ、液冷服务器机柜；Ⅱ、液冷装置；Ⅲ、门式冷水换热装置。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作出进一步地详细阐述，但实施例并不对本实用新型做任何形式的限定。

实施例1

如图1所示，一种门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统， 包括液冷服务器机柜Ⅰ，液冷装置Ⅱ，门式冷水换热装置Ⅲ。所述的液冷服务器机柜Ⅰ包括机柜柜体1和液冷服务器2，液冷服务器2内部有液冷服务器芯片3和液冷散热器4。所述液冷装置Ⅱ包括分配器6、集流器5和连接支管7。所述门式冷水换热装置Ⅲ包括冷水换热器8、风机9、水泵13和冷水机14。所述液冷装置Ⅱ的分配器6和集流器5分别通过进液连接支管7和进液连接支管17与液冷服务器2连接，所述门式冷水换热装置Ⅲ的冷水换热器8安装在液冷装置Ⅱ上。

所述的液冷装置Ⅱ外置安装在机柜柜体1上，可以采用固定式或活动式安装，优选固定式安装。

所述的液冷装置Ⅱ的连接支管7，可以采用硬态管或软态管，优选软态管，进液连接支管7和进液连接支管17的两端分别与液冷服务器、分配器6和集流器5密封连接。

所述的门式冷水换热装置Ⅲ的冷水换热器8可以安装在机柜柜体1的前门侧或背门侧，优选安装在背门侧；门式冷水换热装置Ⅲ的冷水换热器8可以轴转打开，冷水换热器8的进水连接管和出水连接管均采用软态管。

所述的门式冷水换热装置Ⅲ的风机9安装在冷水换热器8的出风侧，风机9可以采用离心式、轴流式、混流式，优选轴流式风机；所述的冷水机14，可采用风冷冷水机、水冷冷水机或蒸发式冷凝冷水机，优选风冷冷水机。

所述的液冷装置Ⅱ和液冷服务器2的一次换热介质15，可以采用自来水、纯净水、有机溶液、无机溶液、氟利昂，优选采用纯净水。

所述的门式冷水换热装置Ⅲ的二次换热介质16为12℃以上的高温冷水。

所述的门式冷水换热装置Ⅲ的冷水换热器8，可以采用全铝微通道换热器或铜管套铝翅片换热器，优选铜管套铝翅片换热器。

本系统运行时，液冷服务器2中的液冷服务器芯片3的发热量占据总发热量约80%，这部分热量由液冷散热器4吸收，并通过流经液冷散热器4的、温度约35~45℃的一次换热介质15带走，使得液冷服务器芯片3的内部温度保持在60~70℃的正常运行状态。每个液冷服务器2内部的液冷散热器4的一次换热介质15的流量分配和汇集，均由液冷装置Ⅱ完成：温度约35~45℃的一次换热介质15从供液总管道流入分配器6后，通过进液连接支管7进入液冷散热器4，吸收液冷服务器芯片3的热量后，变成40~50℃温度状态、通过出液连接支管17进入集流器5、流回集液总管道。

液冷服务器2中的其他元件的发热量占据总发热量约20%，这部分热量通过服务器本身风机或门式冷水换热装置Ⅲ的风机9产生的空气流带走，流经门式冷水换热装置Ⅲ的冷水换热器8后，空气流的热量被15~20℃的二次换热介质16吸收，使得空气流温度重新冷却到20~25℃左右，重新流入服务器带走服务器内部元件热量，如此循环。冷水换热器8内部的12~15℃的二次换热介质16吸收热量后温度升高至17~20℃，在水泵13循环动力作用下流入冷水机14重新冷却为12~15℃的低温工质后，流回冷水换热器8，如此循环。

Claims (10)

1.一种门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，包括液冷服务器机柜，所述液冷服务器机柜包括机柜柜体和设置于机柜柜体内的多个液冷服务器，其特征在于，设有液冷装置对液冷服务器进行直接的液冷散热，还设有门式冷水换热装置进行辅助散热。

2.根据权利要求1所述门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述液冷装置包括液冷散热器、分配器、集流器和一次换热介质，所述液冷散热器用于对服务器芯片进行散热，所述分配器通过多根进液连接支管与液冷散热器连接，液冷散热器再通过多根出液连接支管与所述集流器连接，所述一次换热介质通过分配器和进液连接支管进入液冷散热器，再通过出液连接支管流出液冷散热器并由集流器汇集。

3.根据权利要求1所述门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述的液冷装置外置安装在机柜柜体上。

4.根据权利要求2所述门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述一次换热介质为自来水、纯净水、有机溶液、无机溶液或氟利昂。

5.根据权利要求2所述门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述进液连接支管和出液连接支管为硬态管或软态管。

6.根据权利要求2所述门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述液冷散热器设于服务器芯片附近，或直接与服务器芯片接触。

7.根据权利要求1所述门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述门式冷水换热装置包括冷水换热器、连接管路以及二次换热介质，所述冷水换热器设置在液冷服务器机柜或液冷装置上，并通过连接管路装载二次换热介质。

8.根据权利要求7所述门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述门式冷水换热装置还包括风机，所述风机安装在冷水换热器的出风侧。

9.根据权利要求8所述门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述门式冷水换热装置还包括冷水机和水泵，所述冷水机和水泵设于机房外，并通过连接管路与冷水换热器连接。

10.根据权利要求7所述门式冷水换热装置和液冷装置结合的服务器机柜散热系统，其特征在于，所述二次换热介质为水或防冻溶液。